CN106693311B - 一种基于速度分解与合成的全向运动输入平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于速度分解与合成的全向运动输入平台及其使用方法，包括壳体以及设置在壳体内的多个同轴环形链条，所述环形链条包括左链条和右链条，多个左链条和右链条互相平行间隔设置，左链条和右链条分别由左电机和右电机驱动，所述左链条上设有多个左轮轴，所述右链条上设有右轮轴，左轮轴和右轮轴上均穿设有可绕轮轴转动的轮子。本发明基于速度分解与合成，采用主动式的全向运动平台，与被动式的全向运动平台相比，人体不需要被束缚，可提供更加真实的移动感受。结构简单，机身轻薄，该运动平台从机械结构简洁，能够解决了虚拟空间移动受现实空间限制的问题；本发明也可以应用于货物运输和传送，能够实现在运动平台上的万向移动。
Description
技术领域
本发明涉及运动设备，尤其是一种基于速度分解与合成的虚拟现实人体全向移动输入平台。
背景技术
在计算机网络技术迅猛发展的现代社会，网络技术不仅带来科技经济的发展，也带了休闲娱乐功能的革新，由此虚拟现实环境的终端模拟器类型多样，但大多的终端模拟器中，都需要大面积的场地进行运动，灵敏度不够，对于跳跃下蹲转向等运动无法自如实现，感受逼真度低，且由于人体移动时，没有防护措施容易造成伤害，这些都极大地制约了现有人体万向移动平台的发展。
为了解决现有技术存在的问题，人们进行了长期的探索，提出了各式各样的解决方案。例如“一种万向跑步踩踏装置(201320425296.2)”，包括壳体、跑步机本体、主控制系统和传感器，所述传感器和跑步机本体均与主控制系统电连接所述壳体包括上盖，所述上盖上设置有一洞口，所述跑步机本体设置于壳体内、洞口所在位置的下方所述传感器传递其感应到的人跑步的受力信息到主控制系统，所述主控制系统控制调节跑步机本体运行方向。
又如“虚拟现实人体全向移动输入平台(201510333880.9)”解决了防护效果差，人体运动时安全性低的问题。但其仍属于被动式的跑步机，造成人体需要受到来自腰部的束缚，在倒退行走时极不自然。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术存在的缺陷，本发明旨在提供一种体验效果更佳，更加轻薄，主动式，基于速度分解与合成的全向运动输入平台。
技术方案：一种基于速度分解与合成的全向运动输入平台，包括壳体以及设置在壳体内的多个同轴环形链条，所述环形链条包括左链条和右链条，多个左链条和右链条互相平行间隔设置，左链条和右链条分别由左电机和右电机驱动，所述左链条上设有多个与左链条夹角为a的左轮轴，所述右链条上设有多个与右链条夹角为b的右轮轴，其中以逆时针为角度正方向，-180°＜a＜0°，0°＜b＜180°，左轮轴和右轮轴上均穿设有可绕轮轴转动的轮子。
进一步的，所述环形链条啮合有主动齿轮和从动齿轮，从动齿轮的中心安装有从动齿轮轴承，左电机传动连接有左传动轴，右电机传动连接有右传动轴，左链条的主动齿轮与左传动轴传动连接，左链条的从动齿轮轴承安装在右传动轴上，右链条的主动齿轮与右传动轴传动连接，右链条的从动齿轮轴承安装在左传动轴上。
进一步的，还包括主控电路板，所述主控电路板控制左电机和右电机分别驱动左传动轴和右传动轴转动。
进一步的，所述左传动轴的一端设有左传动轴齿轮，左传动轴齿轮与左电机驱动的左电机传动齿轮啮合，右传动轴的一端设有右传动轴齿轮，右传动轴齿轮与右电机驱动的右电机传动齿轮啮合；左传动轴与右传动轴上均间隔分布有多个槽口，所述槽口与主动齿轮键连接。
进一步的，所述壳体由机顶和机底安装而成，机顶包括位于两侧的机顶支撑部、机顶支撑部之间的机顶平面和设置在机顶平面上的机顶隔板，所述两侧的机顶支撑部分别用于容纳左传动轴和右传动轴上安装的齿轮，机顶隔板将机顶平面上相邻的环形链条隔开。
进一步的，所述机底包括位于两侧的机底支撑部和机底支撑部之间的机底平面。
进一步的，机顶支撑部与机底支撑部装配，左传动轴与右传动轴上均设有传动轴轴承，所述机顶支撑部与机底支撑部均并排设有多个通孔，所述通孔用于容纳左传动轴和右传动轴上安装的齿轮，相邻的通孔之间设有用于嵌入传动轴轴承的支撑弧形板。
进一步的，所述左链条和右链条均由多个链节首尾相接组成，所述轮轴固定在链节上。
进一步的，所述左轮轴与左链条的夹角a为-45°，所述右轮轴与右链条的夹角b为45°。
一种使用基于速度分解与合成的全向运动输入平台的速度合成方法，根据需要的输出合速度分别调节电机驱动左链条和右链条上的分速度进行合成，具体为：
以左链条主动轮到从动轮的方向作为0°，在机体平面上，以逆时针作为角度正方向，当平台需要大小为VDE、角度为w的输出合速度时，左链条上的分速度大小V1＝-(VDE*(cos(b)*sin(w)-sin(b)*cos(w)))/(cos(a)*(cos(a)*sin(b)-cos(b)*sin(a)))，角度为0；右链条上的分速度大小V2＝(VDE*(cos(a)*sin(w)-sin(a)*cos(w)))/(cos(b)*(cos(a)*sin(b)-cos(b)*sin(a)))，角度为0。
有益效果：本发明基于速度分解与合成，采用主动式的全向运动平台，与被动式的全向运动平台相比，人体不需要被束缚，可提供更加真实的移动感受。结构简单，机身轻薄，该运动平台从机械结构简洁，能够解决了虚拟空间移动受现实空间限制的问题；本发明也可以应用于货物运输和传送，能够实现在运动平台上的万向移动。
附图说明
图1是本发明的左链条单节示意图；
图2是本发明的右链条单节示意图；
图3是本发明的左链条与主动及从动齿轮配合示意图；
图4是本发明的右链条与主动及从动齿轮配合示意图；
图5是本发明的左传动轴示意图；
图6是本发明的机顶视角一示意图。
图7是本发明的机顶视角二左链条单节示意图；
图8是本发明的机底示意图；
图9是本发明的链条与传动轴局部配合示意图；
图10是本发明的平台局部配合示意图；
图11是本发明的链条与左传动轴完整配合示意图；
图12是本发明的无机顶平台局部配合示意图。
图13是本发明的结构示意图；
图14是本发明的速度分解与合成示意图。
具体实施方式
下面通过一个最佳实施例并结合附图对本技术方案进行详细说明。
如图1所示的左链条单节，包括由轮子1、轮轴2、销钉3、链节5，轮子1穿设在左轮轴2上，轮子1可绕轮轴2转动，轮轴固定在链节5上，销钉4用于固定链节5。由链节5提供沿链节5径向的主速度(力)，可分解为沿轮轴2径向和横向两方向的分速度(力)。通过轮子1绕轮轴2的转动，可抵消沿轮轴2横向的分速度(力)，从而仅保留沿轮轴2径向的分速度(力)。
如图2所示的右链条单节，包括由轮子1、轮轴2、销钉3、链节5，轮子1穿设在右轮轴3上，轮子1可绕轮轴2转动，轮轴固定在链节5上，销钉4用于固定链节5。由链节5提供沿链节5径向的主速度(力)，可分解为沿轮轴2径向和横向两方向的分速度(力)。通过轮子1绕轮轴2的转动，可抵消沿轮轴2横向的分速度(力)，从而仅保留沿轮轴2径向的分速度(力)。
如图3所示，环形链条包括左链条9和右链条10，左链条9由多个链节5首尾相接组成，左链条9上设有多个与左链条9夹角为a的左轮轴2，其中以逆时针为角度正方向，-180°＜a＜0°，本实施例中左轮轴2与左链条9的夹角a为-45°。所述环形链条啮合有主动齿轮6和从动齿轮7，从动齿轮7的中心安装有从动齿轮轴承8，使从动齿轮7可自由转动。
如图4所示，右链条10由多个链节5首尾相接组成，所述右链条10上设有多个与右链条10夹角为b的右轮轴3，其中以逆时针为角度正方向，0°＜b＜180°，本实施例中右轮轴3与右链条10的夹角b为45°。
如图5所示，所述左传动轴13的一端设有左传动轴齿轮11，左传动轴13上间隔分布有多个槽口12，所述槽口12与主动齿轮6键连接，使得左传动轴13可驱动主动齿轮6。槽口12间的空位将与从动齿轮7进行配合，通过从动齿轮轴承8使得从动齿轮7在左传动轴13上自由转动；
右传动轴与左传动轴结构一致，其一端设有右传动轴齿轮，右传动轴上间隔分布有多个槽口12，所述槽口12与主动齿轮6键连接，使得右传动轴可驱动主动齿轮6。槽口12间的空位将与从动齿轮7进行配合，通过从动齿轮轴承8使得从动齿轮7在右传动轴上自由转动。
如图6、图7为壳体的机顶14部分不同视角示意图，如图8为机底19，机顶14包括位于两侧的机顶支撑部17、机顶支撑部17之间的机顶平面16和设置在机顶平面16上的机顶隔板15，所述两侧的机顶支撑部17分别用于容纳左传动轴13和右传动轴上安装的齿轮，机顶隔板15将机顶平面16上相邻的环形链条隔开，避免其在运动过程中发成碰撞。
机顶平面16为左链条9、右链条10提供支撑，同时也承载着平台上的物体或人体。
所述机底19包括位于两侧的机底支撑部21和机底支撑部21之间的机底平面20。机底平面20为电机26、主控电路板27提供放置平台。
机顶支撑部17将与机底支撑部21装配，从而支撑左传动轴13和右传动轴。左传动轴13与右传动轴上均设有传动轴轴承22，所述机顶支撑部17与机底支撑部21均并排设有多个通孔18，所述通孔18用于容纳左传动轴13和右传动轴上安装的齿轮，为左链条9、右链条10运动提供通道。相邻的通孔18之间设有用于嵌入传动轴轴承22的支撑弧形板。
传动轴轴承22外围与机底支撑部21接触，起到机体对传动轴的支撑作用，从动齿轮轴承8外围与从动齿轮7接触，起到传动轴对从动齿轮的支撑作用。传动轴轴承22和从动齿轮轴承8交替阵列排布。
如图9、图10为链条与传动轴局部配合示意图和平台局部配合示意图，其拥有两个中心对称放置的左传动轴13和右传动轴。
左传动轴13上主动齿轮安装处23与主动齿轮6进行键配合固定，使得左传动轴13可驱动主动齿轮6，从动齿轮安装处24与中心装有从动齿轮轴承8的从动齿轮7配合，使得从动齿轮7可自由转动，右传动轴的结构相同。
左电机26与左传动轴13传动连接，右电机与右传动轴传动连接，左链条9的主动齿轮6与左传动轴13传动连接，左链条9的从动齿轮轴承8安装在右传动轴上，右链条10的主动齿轮6与右传动轴传动连接，右链条10的从动齿轮轴承8安装在左传动轴13上。
工作时，一根左传动轴13与左链条9的主动齿轮6及右链条10的从动齿轮7配合，实现左传动轴13驱动机体上所有左链条9；右传动轴13与左链条9的从动齿轮7及右链条10主动齿轮6的配合，实现该传动轴13驱动机体上所有右链条10。
左电机26和右电机26及主控电路板27放置在机底平面20上。还包括主控电路板27，左传动轴齿轮11与左电机26驱动的左电机传动齿轮25啮合，右传动轴齿轮与右电机驱动的右电机传动齿轮啮合；所述主控电路板27控制左电机26和右电机分别驱动左电机传动齿轮25和右电机传动齿轮转动，带动左传动轴13和右传动轴转动，进而控制左链条9与右链条10转动。
如图11为链条与传动轴完整配合示意图，完成了所有链条与左传动轴13和右传动轴的装配，包括多个同轴环形链条，多个左链条9和右链条10互相平行间隔设置，所有的左链条9和所有的右链条10分别由左电机26和右电机驱动。
如图12为无机顶平台局部配合示意图；在未安装机顶的情况下示意图，内部结构同图10。
如图13为本发明基于速度分解与合成的全向运动输入平台示意图，包括壳体以及设置在壳体内的多个同轴环形链条，其中，链条的个数可根据实际需要设置，不受附图限定，壳体由机顶14和机底19安装而成，人体或者货物可在该示意图上链条上移动。若应用在虚拟现实领域，可通过其他装置检测人体位置，驱动电机提供反方向的合速度(力)，使得人体回到机体中心。本发明也可应用于运输货物等需要履带传输的领域，能够实现货物的万向移动。
如图14所示，一种使用上述基于速度分解与合成的全向运动输入平台的速度合成方法，根据需要的输出合速度分别调节电机驱动左链条9和右链条10上的分速度进行合成，具体为：
以左链条主动轮到从动轮的方向作为平台合成合速度为0°的方向，即整个平台作为参考的0度方向，以在机体平面上，以逆时针作为角度正方向，当平台需要大小为VDE、角度为w的输出合速度时，左链条9上的分速度大小V1＝-(VDE*(cos(b)*sin(w)-sin(b)*cos(w)))/(cos(a)*(cos(a)*sin(b)-cos(b)*sin(a)))，角度为0；右链条10上的分速度大小V2＝(VDE*(cos(a)*sin(w)-sin(a)*cos(w)))/(cos(b)*(cos(a)*sin(b)-cos(b)*sin(a)))，角度为0。
其原理如下：
图中MN方向表示为左/右链节也即左/右链条10运动方向，AB为左链条9轮轴径向方向，AC为右链条10轮轴径向方向。
其中AB与MN夹角为a，AC与MN夹角为b。以AN方向为0度角，逆时针为角度正方向，则有-180度<a<0度，0度<b<180度。
设左链条9沿MN方向速度大小为V1，角度为0，左链条9沿MN方向速度大小为V2，角度为0。
左链条9分解在AB方向上分速度大小VAB＝cos(a)*V1，角度为a，垂直于AB方向分速度由轮子转动抵消为0。
右链条10分解在AC方向上分速度大小VAC＝cos(b)*V2，角度为b，垂直于AC方向分速度由轮子转动抵消为0。
设由VAB和VAC合成的合速度即平台可提供的合速度大小为VDE，角度为w
由向量的分解与合成可有
则若平台需要合成速度大小为VDE，角度为w的合速度时，则需有
左链条9速度大小V1＝-(VDE*(cos(b)*sin(w)-sin(b)*cos(w)))/(cos(a)*(cos(a)*sin(b)-cos(b)*sin(a)))，角度为0。
右链条10速度大小V2＝(VDE*(cos(a)*sin(w)-sin(a)*cos(w)))/(cos(b)*(cos(a)*sin(b)-cos(b)*sin(a)))，角度为0。
可根据需要选择不同的a、b角度，计算左链条9、右链条10上的分速度，如：
当a＝-45度，b＝45度时，合成速度大小为VDE＝1，角度为w＝0度的合速度时，需要左链条9速度大小V1＝1，角度为0，右链条10速度大小V2＝1，角度为0。
当a＝-45度，b＝45度时，合成速度大小为VDE＝1，角度为w＝135度的合速度时，需要左链条9速度大小V1＝-1.4142，角度为0，右链条10速度大小V2＝0，角度为0。
当a＝-60度，b＝30度时，合成速度大小为VDE＝1，角度为w＝90度的合速度时，需要左链条9速度大小V1＝-1.7321，角度为0，右链条10速度大小V2＝0.5774，角度为0。
当a＝-60度，b＝30度时，合成速度大小为VDE＝1，角度为w＝-15度的合速度时，需要左链条9速度大小V1＝1.4142，角度为0，右链条10速度大小V2＝0.8165，角度为0。
当a＝-30度，b＝0度时，合成速度大小为VDE＝1，角度为w＝-135度的合速度时，需要左链条9速度大小V1＝1.6330，角度为0，右链条10速度大小V2＝-1.9319，角度为0。
由于左右链条速度大小V1和V2通过总传动轴由电机直接决定，所以只需要控制两电机转速的大小，即可合成任意方向合速度。
在上述公式中，当取a＝-45度，b＝45度时，V1＝VDE*(cos(w)-sin(w))V2＝VDE*(cos(w)+sin(w))时，由于其结构对称，且计算简便，为最佳参数选择。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于速度分解与合成的全向运动输入平台，其特征在于，包括壳体以及设置在壳体内的多个同轴环形链条，所述环形链条包括左链条(9)和右链条(10)，多个左链条(9)和右链条(10)互相平行间隔设置，左链条(9)和右链条(10)分别由左电机(26)和右电机驱动，所述左链条(9)上设有多个与左链条(9)夹角为a的左轮轴(2)，所述右链条(10)上设有多个与右链条(10)夹角为b的右轮轴(3)，其中以逆时针为角度正方向，-180°＜a＜0°，0°＜b＜180°，左轮轴(2)和右轮轴(3)上均穿设有可绕轮轴转动的轮子(1)；
所述环形链条啮合有主动齿轮(6)和从动齿轮(7)，从动齿轮(7)的中心安装有从动齿轮轴承(8)，左电机(26)传动连接有左传动轴(13)，右电机传动连接有右传动轴，左链条(9)的主动齿轮(6)与左传动轴(13)传动连接，左链条(9)的从动齿轮轴承(8)安装在右传动轴上，右链条(10)的主动齿轮(6)与右传动轴传动连接，右链条(10)的从动齿轮轴承(8)安装在左传动轴(13)上。
2.根据权利要求1所述的基于速度分解与合成的全向运动输入平台，其特征在于，还包括主控电路板(27)，所述主控电路板(27)控制左电机(26)和右电机分别驱动左传动轴(13)和右传动轴转动。
3.根据权利要求1所述的基于速度分解与合成的全向运动输入平台，其特征在于，所述左传动轴(13)的一端设有左传动轴齿轮(11)，左传动轴齿轮(11)与左电机(26)驱动的左电机传动齿轮(25)啮合，右传动轴的一端设有右传动轴齿轮，右传动轴齿轮与右电机驱动的右电机传动齿轮啮合；左传动轴(13)与右传动轴上均间隔分布有多个槽口(12)，所述槽口(12)与主动齿轮(6)键连接。
4.根据权利要求1所述的基于速度分解与合成的全向运动输入平台，其特征在于，所述壳体由机顶(14)和机底(19)安装而成，机顶(14)包括位于两侧的机顶支撑部(17)、机顶支撑部(17)之间的机顶平面(16)和设置在机顶平面(16)上的机顶隔板(15)，所述两侧的机顶支撑部(17)分别用于容纳左传动轴(13)和右传动轴上安装的齿轮，机顶隔板(15)将机顶平面(16)上相邻的环形链条隔开。
5.根据权利要求4所述的基于速度分解与合成的全向运动输入平台，其特征在于，所述机底(19)包括位于两侧的机底支撑部(21)和机底支撑部(21)之间的机底平面(20)。
6.根据权利要求5所述的基于速度分解与合成的全向运动输入平台，其特征在于，机顶支撑部(17)与机底支撑部(21)装配，左传动轴(13)与右传动轴上均设有传动轴轴承(22)，所述机顶支撑部(17)与机底支撑部(21)均并排设有多个通孔(18)，所述通孔(18)用于容纳左传动轴(13)和右传动轴上安装的齿轮，相邻的通孔(18)之间设有用于嵌入传动轴轴承(22)的支撑弧形板。
7.根据权利要求1所述的基于速度分解与合成的全向运动输入平台，其特征在于，所述左链条(9)和右链条(10)均由多个链节(5)首尾相接组成，所述轮轴固定在链节(5)上。
8.根据权利要求1所述的基于速度分解与合成的全向运动输入平台，其特征在于，所述左轮轴(2)与左链条(9)的夹角a为-45°，所述右轮轴(3)与右链条(10)的夹角b为45°。
9.一种使用如权利要求1中所述基于速度分解与合成的全向运动输入平台的速度合成方法，其特征在于，根据需要的输出合速度分别调节电机驱动左链条(9)和右链条(10)上的分速度进行合成，具体为：
以左链条主动轮到从动轮的方向作为0°，在机体平面上，以逆时针作为角度正方向，当平台需要大小为VDE、角度为w的输出合速度时，左链条(9)上的分速度大小V1＝-(VDE*(cos(b)*sin(w)-sin(b)*cos(w)))/(cos(a)*(cos(a)*sin(b)-cos(b)*sin(a)))，角度为0；右链条(10)上的分速度大小V2＝(VDE*(cos(a)*sin(w)-sin(a)*cos(w)))/(cos(b)*(cos(a)*sin(b)-cos(b)*sin(a)))，角度为0。
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